Il calcolo dei carici termici è lo studio eseguito da professionisti per determinare le necessità di climatizzazione di uno spazio, indipendentemente dalla destinazione d’uso dello stesso, cioè se per uso residenziale, commerciale o industriale.
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Intenderemo carico termico la quantità di energia che necessita un’area per mantenere o raggiungere determinate condizioni di temperatura e umidità, con il fine ultimo di una specifica applicazione, sia essa residenziale o un’attività specifica. Ad esempio, quello che si farebbe per calcolare il fabbisogno di riscaldamento di un’abitazione; o in un centro logistico dove si lavora con alimenti surgelati, per proteggere i sistemi di refrigerazione.
Questi studi approfondiscono la tematica differenziando se ciò che si vuole ottenere è il carico termico per determinare quale raffrescamento o riscaldamento necessita l’area o spazio, oppure, se si desiderano studiare le condizioni in stagioni fredde o calde, inverno o estate, come abitualmente si fa nelle case.
È possibile differenziare, stabilendo una classificazione dei carichi termici, tra carichi termici sensibili e carichi termici latenti:
- Carichi termici sensibili: in questa categoria si includono i carichi termici originati da una differenza di temperatura e dovuti anche ad irraggiamento termico.
- Carichi termici latenti: qui includiamo quelli dovuti da un apporto di umidità nell’aria. Per esempio, quelli derivati dall’aria esterna o dall’attività all’interno (come può essere l’umidità generata dalle cucine o da apparecchiature specifiche).
Fattori da considerare per la realizzazione del progetto
Una volta stabiliti gli obiettivi e le caratteristiche dello spazio che vogliamo analizzare, ci sono tanti fattori da tenere in considerazione. Anche se i concetti e le spiegazioni che forniremo oggi permettono un’effettiva applicazione, in misura maggiore o minore, in qualsiasi spazio, i passaggi chiave successivi saranno incentrati sul calcolo dei carichi termici destinato principalmente ad un esempio di edificio generico.
Evidenziamo, quindi, aspetti e fattori da tenere presente prima di cominciare lo studio:
- Ubicazione esatta dell’edificio, così come le sue caratteristiche (dimensione, altezza tetto, mura, ecc.). In sostanza, i fattori architettonici che potremmo ottenere dalle planimetrie.
- Orientamento dell’edificio: condizioni esterne (in base alle condizioni estive-invernali, climatiche ed ambientali); condizioni interni (in base alla destinazione d’uso dei locali o dell’abitazione).
- Superficie vetrata totale esterna, così come la tipologia e gli infissi utilizzati; è importante anche conoscere i materiali di costruzione presenti nel tetto, muri divisori, pavimenti e le superfici a contatto con l’esterno.
- Numero medio delle persone che potrebbero soggiornare in questo spazio o area.
- Fonti di calore interne e ventilazione richiesta nei locali.
Calcolo dei carichi termici per la climatizzazione
Per addentrarci nei calcoli veri e propri, elenchiamo prima i tipi di carichi sensibili e carichi latenti che studieremo. Questi sono:
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- Nella sezione sul calcolo dei carichi sensibili: trasmissione attraverso le pareti opache; trasmissione attraverso pareti trasparenti; irraggiamento solare; ventilazione / infiltrazione d’aria; occupazione dei locali; illuminazione; per ultimo, apparecchiature.
- Nella sezione sul calcolo dei carichi latenti, terremo in considerazione solo due categorie: ventilazione / infiltrazione d’aria; occupazione dei locali.
Calcolo dei carichi sensibili
Per calcolare il carico termico sensibile, che denomineremo Qs, è necessario utilizzare la seguente formula:
Qs = Qsr + Qstr + Qst + Qsi + Qsai
In questa espressione troviamo i valori di seguito, che spiegheremo uno ad uno più avanti:
Qsr è il valore del carico sensibile originato dalla trasmissione attraverso i serramenti trasparenti, espresso in W.
Qstr è il valore del carico sensibile per trasmissione attraverso pareti e tetti esterni, espresso anch’esso in W.
Qst è il valore del carico sensibile per trasmissione attraverso pareti interne, soffitti, pavimenti e porte (W);
Qsi è il valore del carico sensibile trasmesso dalle infiltrazioni d’aria esterna (W).
Qsai è il valore del carico sensibile dovuto agli apporti interni (W).
Di seguito, calcoliamo separatamente i carichi sopra citati per ottenere il valore del carico sensibile totale.
Trasmissione attraverso pareti e tetti esterni
Questo carico termico per trasmissione si calcola con la seguente formula:
Qstr = K * S * (Tec – Ti)
Dove K è il coefficiente di trasmissione termica della parete (W/m2 °C), anche chiamato trasmittanza termica.
Dove S è la superficie della parete, espresso in m2.
Dove Tec è la temperatura di progetto sull’altro lato della parete, espresso in °C.
Dove Ti la temperatura interna di progetto dei locali, espresso in °C.
Trasmissione di irraggiamento solare attraverso il vetro
Rappresenta l’irraggiamento che attraversa le pareti trasparenti, come può essere il vetro, trasmettendo calore all’interno della stanza. Il carico termico per trasmissione attraverso pareti trasparenti si calcola così:
Qsr = S * R * F
Dove Qsr è il carico termico per irraggiamento solare attraverso il vetro, espresso in W.
Dove S è la superficie trasparente o vetrata esposta all’irraggiamento, espresso in m2.
Dove R è l’irraggiamento solare che attraversa detta superficie, espresso in W/m2.
Dove F è il fattore di correzione dell’irraggiamento in base al tipo di vetro ed altri fattori.
Trasmissione attraverso pareti interne, soffitti, pavimenti e porte
Qst = K · S · (Te-Ti)
Dove Qst è il carico termico per trasmissione attraverso pareti interne, in W.
Dove K è il coefficiente globale di trasmissione termica della parete espresso in W/ m2ºC.
Dove S è la superficie della parete interna, in m2.
Dove Te è la temperatura di progetto all’altro lato della parete (ºC).
Dove Ti è la temperatura interna di progetto del locale (ºC).
Trasmissione per infiltrazioni d’aria esterna
Qsi = V · ρ · Ce,aire · ΔT
Dove Qsi è il carico termico per infiltrazione e ventilazione di aria esterna (W).
Dove V è la portata d’aria filtrata e di ventilazione (m3/s).
Dove ρ è la densità dell’aria, dal valore di 1,18 kg/m3.
Dove Ce,aire è il calore specifico dell’aria, dal valore di 1012 J/kg°C.
Dove ΔT è la differenza di temperatura tra l’ambiente esterno e quello interno.
Carico Sensibile dovuto ai carichi interni
Qsai = Qsil + Qsp + Qsv
Dove Qsil è il guadagno interno di calore sensibile per illuminazione, espresso in W.
Dove Qsp, è il guadagno interno di calore sensibile dovuto agli occupanti, in W.
Dove Qsv è il guadagno interno di calore sensibile da differenti apparecchi, in W.
Calcolo dei carichi latenti
Ventilazione / infiltrazione d’aria
Qui viene calcolato il carico latente per ventilazione o infiltrazione d’aria esterna, determinato con la seguente formula:
Q = V * 0.63 * Δw
Dove V è la portata d’aria per infiltrazione o di ventilazione, espressa in m3/h.
Dove 0,63 è il prodotto della densità standard dell’aria (1,2 kg/m3) per il calore latente di evaporazione dell’acqua (0,52 Wh/g).
Dove Δw è la differenza di umidità assoluta tra l’ambiente esterno e quello interno (ºC).
Occupazione del locale
Il carico latente per occupazione del locale si ottiene moltiplicando il valore del calore latente emesso da una persona tipo, per il numero degli occupanti previsti per il locale studiato. La quantità di calore emesso si estrae da una tavola in cui si tiene conto della tipologia prescelta di ogni stanza.
